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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE L'utilisation de cellules solaires. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Bienvenue dans le monde du photovoltaïque, dans le monde de l'électricité solaire. Si le lecteur n'est pas encore familiarisé avec la photoélectricité, alors il prendra un réel plaisir et sera récompensé pour cette connaissance. Nous parlerons de l'utilisation et de l'application des cellules solaires au silicium. Quel que soit l'endroit où l'appareil sera utilisé, les cellules solaires en font partie intégrante et sont intéressantes en elles-mêmes. Il est donc important de comprendre leur nature et d'apprendre à les utiliser. Il n'y a rien de difficile dans ce chapitre. Nous allons juste parler de "rouages et écrous". Principes de base du travail Le principe de fonctionnement d'une cellule solaire est assez simple et est le suivant. Lorsqu'elle est éclairée, une cellule solaire au silicium génère une tension électrique de 0,5 V. Quels que soient le type et le schéma de connexion, toutes les cellules solaires au silicium (grandes et petites) génèrent une tension de 0,5 V. La situation est différente avec le courant de sortie de l'élément. Cela dépend de l'intensité de la lumière et de la taille de l'élément, qui se réfère à la surface. Il est clair qu'un élément de 10 x 10 cm2 est 4 fois plus grand qu'un élément de 5 x 5 cm2, donc, il produit 4 fois plus de courant. La force du courant dépend également de la longueur d'onde de la lumière et de son intensité, et elle est directement proportionnelle à l'intensité du rayonnement. Plus la lumière est brillante, plus la cellule solaire génère de courant. Augmenter les caractéristiques de sortie des cellules solaires Les cellules solaires seraient très rarement utilisées si elles fonctionnaient dans les paramètres mentionnés. Ce n'est que dans certains cas qu'une tension aussi basse (0,5 V) est requise pour des exigences arbitraires concernant la quantité de courant consommé.
Heureusement, il n'y a aucune restriction ici. Les cellules solaires peuvent être connectées en série et en parallèle pour augmenter les caractéristiques de sortie. Nous considérerons les cellules solaires comme des batteries ordinaires. Il est connu que plusieurs piles sont utilisées pour augmenter la luminosité de la lampe de poche. Essentiellement, lorsque les batteries sont connectées en série, la tension totale augmente (Fig. 1). La même chose peut être faite avec des cellules solaires. En reliant la borne positive d'une cellule à la borne négative de l'autre, on peut obtenir à partir de deux cellules une tension de 1 V. De même, trois cellules donneront 1,5 V, quatre cellules 2 V, etc. Théoriquement, la tension développée par les cellules solaires connectées en série, à condition qu'il y en ait suffisamment, peuvent atteindre des milliers de volts ! Malheureusement, du point de vue de l'augmentation du courant de sortie, la connexion en série présente un inconvénient inhérent. Lorsque les batteries sont connectées en série, le courant de sortie ne dépasse pas le niveau caractéristique du pire élément du circuit. Cela est vrai pour toutes les sources d'énergie, qu'il s'agisse de batteries, d'alimentations ou de cellules solaires. Cela signifie que pour n'importe quel nombre de cellules solaires 2 A dans un circuit, une cellule 1 A déterminera le courant de sortie total, c'est-à-dire 1 A. Par conséquent, si vous cherchez à obtenir des performances maximales, vous devez faire correspondre les courants de tous les éléments du circuit. D'accord, la tension est claire. Mais comment augmenter le courant de sortie d'une cellule solaire ? Après tout, le soleil brille avec une certaine luminosité. Le courant de sortie dépend de la surface de l'élément, et donc la manière naturelle d'augmenter le courant est d'augmenter la surface de l'élément (ou des éléments). Éléments? Exactement!
Si nous prenons quatre éléments de 5x5 cm2 chacun et les connectons en parallèle, comme indiqué sur la fig. 2, il est possible d'obtenir le même résultat qu'en remplaçant quatre éléments par un seul format de 10x10 cm2 (dans les deux cas, la surface est la même et est de 100 cm2). Il faut savoir qu'avec une connexion en parallèle, seule l'intensité du courant augmente, et non la tension. Quel que soit le nombre d'éléments connectés en parallèle (4 ou 50), la tension générée ne sera pas supérieure à 0,5 V. Batteries photovoltaïques Vous pouvez deviner ce qui sera discuté. En effet, pour profiter des deux méthodes de commutation, il est possible de combiner la connexion en série et en parallèle des éléments. Cette combinaison s'appelle une batterie. Les batteries peuvent être fabriquées dans n'importe quelle combinaison souhaitée. La batterie la plus simple est une chaîne de cellules connectées en série. Vous pouvez également connecter des chaînes d'éléments en parallèle, des éléments individuels dans des chaînes ou les combiner dans toute autre combinaison. Sur la fig. 3 ne montre que trois exemples de combinaisons possibles.
Différences dans la nature des connexions des éléments de la fig. 3, bien qu'ils aient tous les mêmes caractéristiques de sortie, sont dictés par des exigences de fiabilité différentes. Sur la fig. 3, et trois chaînes consécutives d'éléments sont connectées en parallèle. Cette méthode est utilisée lorsqu'il existe une forte probabilité de court-circuit d'éléments individuels. Sur la fig. 3, b montre un schéma d'une connexion parallèle-série d'éléments. Avec une telle liaison, la défaillance de l'un des éléments, due par exemple à l'apparition d'une fissure, n'entraîne pas la perte de toute la chaîne due à une rupture de chaîne. Dans le dernier exemple (Fig. 3, c), les deux cas avec un minimum de connexions sont pris en compte. D'autres types de connexions sont possibles, et leur choix doit être déterminé par les conditions de fonctionnement spécifiques de votre appareil. Une condition importante doit être rappelée. Quel que soit le vol de votre imagination, les chaînes d'éléments connectés en parallèle doivent nécessairement correspondre en tension. Vous ne pouvez pas connecter une chaîne de 15 éléments et une courte chaîne de 5 éléments en parallèle. Avec cette connexion, la batterie ne fonctionnera pas. polarisation inverse En règle générale, lorsqu'ils travaillent avec des panneaux solaires, ils rencontrent un phénomène qui ne se produit pas lors de l'utilisation d'alimentations électriques conventionnelles. Ce phénomène est associé au soi-disant biais inverse. Pour comprendre de quoi il s'agit, regardons la Fig. 4.
Cette figure montre 8 éléments connectés en série. La tension de sortie totale du circuit est de 4 V et la résistance RL est connectée en tant que charge. Jusqu'ici, tout va bien. Mais assombrissons la photocellule D avec un objet opaque, comme une main, et voyons ce qui se passe. Vous pensez probablement que la tension chutera à 3,5 V, n'est-ce pas ? Rien de tel ! Une cellule solaire qui ne produit pas d'énergie électrique est un lien avec une résistance interne élevée, pas un court-circuit. La même chose se produit lorsque l'interrupteur est ouvert, mais cet interrupteur n'est pas complètement ouvert - un petit courant le traverse. Dans la plupart des cas, la résistance effective d'une cellule solaire obscurcie est plusieurs fois supérieure à la valeur de la résistance de charge RL. Par conséquent, en pratique, vous pouvez considérer RL comme un morceau de fil reliant les bornes négative et positive. Cela signifie que l'élément D remplit maintenant la fonction de charge. Que font les autres éléments ? Fournissez de l'énergie à cette charge ! En conséquence, l'élément D chauffe et, s'il est suffisamment chauffé, peut tomber en panne (exploser). En conséquence, nous nous retrouvons avec une batterie d'une chaîne série avec un élément inactif - une situation peu enviable.
Un moyen efficace de résoudre ce problème consiste à connecter des diodes shunt à tous les éléments en parallèle, comme indiqué sur la fig. 5. Les diodes sont connectées de sorte que lorsque la cellule solaire fonctionne, elles sont polarisées en inverse par la tension de la cellule elle-même. Par conséquent, aucun courant ne traverse la diode et la batterie fonctionne normalement. Supposons maintenant que l'un des éléments est ombré. Dans ce cas, la diode s'avère être polarisée en direct et le courant la traverse dans la charge, en contournant l'élément défectueux. Bien sûr, la tension de sortie de l'ensemble du circuit diminuera de 0,5 V, mais la source de la force autodestructrice sera éliminée. Un avantage supplémentaire est que la batterie continue de fonctionner normalement. Sans diodes shunt, il échouerait complètement. En pratique, il n'est pas pratique de shunter chaque élément de batterie. Il convient de tenir compte des considérations économiques et de l'utilisation de diodes shunt sur la base d'un compromis raisonnable entre fiabilité et coût. En règle générale, une diode est utilisée pour protéger 1/4 de la batterie. Ainsi, seules 4 diodes sont nécessaires pour toute la batterie. Dans ce cas, l'effet d'ombrage se traduira par une réduction de 25 % (tolérable) de la puissance de sortie. Couper des éléments en morceaux Les éléments en série ne correspondent pas toujours exactement à votre plan. Bien qu'ils essaient de vous offrir le plus de choix possible, il n'y a aucun moyen de satisfaire toutes les demandes. Heureusement, ce n'est pas obligatoire. Les cellules solaires monocristallines peuvent être moulées dans n'importe quelle forme souhaitée.
Vous devez savoir que c'est le cas, car les cellules solaires monocristallines sont fabriquées à partir d'un gros monocristal. L'atome de silicium a quatre électrons de valence et forme un réseau cristallin cubique. Sur la fig. 6 montre une cellule solaire ronde typique avec une structure granulaire proéminente. Si une force est appliquée à cette structure d'électrons fortement liés, une fissure apparaîtra le long de la ligne de défaut. Ceci est très similaire à une fissure qui se produit à la suite d'un tremblement de terre. La structure du cristal est connue et donc la direction de la fissure peut être prédite. Si une force est appliquée sur le bord illustré à la Fig. 6 de la plaque au point A, alors les forces mécaniques agissant à l'intérieur du cristal le diviseront en deux moitiés. Maintenant, au lieu d'un élément, il y en a deux. Disons qu'il faut scinder un tel élément en quatre parties identiques. Ceci peut être réalisé en appliquant d'abord une force le long de la ligne défectueuse verticale, puis le long de la ligne horizontale. Heureusement, cela peut être fait en même temps. La plupart des éléments ronds monocristallins sont marqués d'une croix au centre. Si vous appuyez à ce stade avec un couteau à pointe cruciforme, l'élément se divisera en quatre morceaux nets. Ne vous inquiétez pas si vous n'atteignez pas le centre exact. L'élément sera divisé, mais pas en parties égales. La taille des fragments sera déterminée par le point d'application de la force, mais ils seront tous divisés selon les mêmes plans. Les lignes de clivage sont toujours parallèles les unes aux autres et toutes les intersections se produisent à angle droit. Guidé par ces règles, vous pouvez obtenir des éléments de n'importe quelle taille requise. Lorsque vous essayez de fractionner un élément pour la première fois, vous devez être extrêmement prudent : vous ne pouvez pas travailler sur une surface dure. En appliquant beaucoup de force sur un élément reposant sur une surface plane et dure, vous ne pouvez y faire qu'un trou. Pour créer une contrainte mécanique, il est nécessaire que l'élément se plie. J'ai trouvé que quelques feuilles de papier (peut-être du papier journal) suffisent pour diviser un élément. Seuls les éléments monocristallins peuvent être séparés de cette manière. Les éléments polycristallins apparus récemment (cellules de wacker) ne peuvent pas être divisés symétriquement. Si vous essayez de le faire, la cellule solaire se brisera en un million de morceaux. Un élément polycristallin est facile à distinguer d'un monocristal. À la suite du traitement, le monocristal a une structure de surface uniforme et lisse. Le polycristal ressemble à de l'acier galvanisé avec son aspect de surface caractéristique. Souder des cellules solaires Une fois les cellules solaires sélectionnées pour le travail, il est nécessaire de les souder. Habituellement, nous avons à notre disposition des cellules solaires en série équipées de grilles de collecte de courant et de contacts arrière, qui sont conçues pour y souder des conducteurs. Lors de la fabrication, les contacts sont le plus souvent recouverts d'une soudure contenant une petite quantité d'argent. L'argent protège la pointe du fer à souder de la destruction et de l'adhésion éventuelle de contacts métalliques fins lors du soudage. Rappelons que les grilles des collecteurs de courant sont aussi fragiles que les conducteurs métalliques des circuits imprimés. Les fabricants de cellules solaires utilisent généralement une soudure, un flux et des conducteurs spéciaux pour les connexions. La soudure contenant 2% d'argent peut toujours être achetée au magasin. Au lieu de la colophane, un flux régulier à base d'eau doit être utilisé afin qu'il puisse être facilement lavé de la surface de l'élément après le soudage. La chose la plus difficile à trouver est un conducteur à ruban plat, car il est rarement disponible à la vente. Cependant, vous pouvez faire quelque chose de similaire si vous prenez un morceau de fil de cuivre et aplatissez son extrémité avec un marteau. Au lieu de cela, vous pouvez utiliser une feuille de cuivre ou simplement un fil de cuivre fin. Le processus de soudure lui-même n'est pas difficile, mais il doit être fait rapidement. La plaque de silicium est un très bon dissipateur de chaleur, et si vous touchez l'élément avec un fer à souder pendant une longue période, la pointe du fer à souder refroidira en dessous de la température de fusion de la soudure. Vous devez d'abord étamer le fil en utilisant un peu plus de soudure que d'habitude, mais pas trop. La cellule solaire est déjà étamée lors de la fabrication. Pour le travail, il est recommandé d'utiliser un fer à souder d'une puissance de 30 ou 40 watts. La pointe du fer à souder doit être propre et chaude. Pendant que le fer à souder chauffe, le flux est appliqué sur l'élément et le fil étamé est pressé contre la base de contact de l'élément. Maintenant, touchez le fer à souder chaud à la surface du fil. Il est nécessaire que le joint soit "enveloppé" de soudure fondue et qu'un contact fiable du fil avec l'élément soit assuré. La soudure se fait en une seule touche : vous devez travailler rapidement, mais avec soin. Le contact arrière est soudé de la même manière. Pour obtenir une chaîne séquentielle d'éléments, le contact avant du premier élément est relié par un fil au contact arrière du second. Ensuite, avec un autre morceau de fil, le contact avant du second est connecté à l'arrière du troisième, etc. Le contact avant est l'électrode négative, tandis que le contact arrière est l'électrode positive. Une autre méthode largement utilisée est la connexion d'éléments sous la forme d'un toit en tuiles. Si vous avez déjà vu un toit en tuiles, vous avez déjà l'idée. Le contact avant d'un élément est recouvert par le dessus par le contact arrière de l'autre. Le point de contact est chauffé avec un fer à souder, et ainsi les deux éléments sont reliés l'un à l'autre. Une telle connexion est illustrée à la Fig. 7.
Il est nécessaire de collecter un peu de soudure en excès sur la pointe afin de souder de manière fiable les éléments. Veillez à ne pas surchauffer l'élément, sinon il n'y aura aucun contact. De cette façon, il est préférable de souder de petits éléments dans lesquels vous pouvez chauffer simultanément toute la zone de contact. Il est préférable d'utiliser une pointe de fer à souder rectangulaire spéciale conçue pour dessouder les circuits intégrés des cartes de circuits imprimés. Un chauffage et une pression uniformes seront la clé du succès. Protection de la batterie Maintenant que la batterie est assemblée, il est nécessaire de la protéger des dommages mécaniques et des intempéries. Il est préférable de placer les éléments face vers le bas sur une feuille de verre ou de plexiglas propre. Le verre de sécurité est préféré, suivi du verre à vitre trempé, du plastique acrylique et du verre à vitre normal par ordre décroissant de sécurité. Un revêtement transparent protège la batterie des dommages mécaniques lors des chocs et des torsions, flexions. Mais il ne protège pas bien de l'humidité. Comme vous le savez, le silicium est légèrement hygroscopique ; cela signifie qu'il absorbe très peu d'eau. Cependant, après une longue période de temps, il y a une diminution progressive des caractéristiques de sortie de l'élément en raison de l'influence de l'humidité. Ainsi, la durée de vie de la batterie dépend directement de la qualité de l'isolation contre l'humidité. L'isolation contre l'humidité peut être fournie de plusieurs façons. Conformément à l'un d'eux, la face arrière peut être remplie de caoutchouc liquide. Pour ce faire, il est nécessaire de faire un cadre autour du périmètre du verre de protection afin que le polymère liquide ne déborde pas. De plus, un cadre solide protège bien le verre de protection contre les chocs latéraux. Une autre méthode consiste à recouvrir l'arrière de la batterie d'une épaisse feuille de plastique Mylar et à chauffer toute la batterie, par exemple avec une lampe à incandescence, jusqu'à ce que le Mylar fonde et adhère au capot de protection avant. Cette opération demande une certaine habileté, surtout dans le cas de grosses batteries. La couverture arrière en mylar peut être simplement collée. Cette opération est souvent plus simple que le chauffage, mais les propriétés isolantes se dégradent. Enfin, la face arrière des cellules de la batterie peut être recouverte de plusieurs couches de latex. Il n'a pas l'air aussi esthétique, mais offre d'assez bonnes propriétés d'étanchéité à l'humidité. Le dernier mais non le moindre est la production d'une boîte hermétiquement étanche à l'humidité pour les éléments. Il est coûteux, mais fournit l'isolation nécessaire contre l'humidité. Auteur : Byers T.
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